CN104347307A - 用于高压开关的柔性绝缘材料 - Google Patents

Abstract

一种电气开关包括：管形壳体，其具有导体接纳端和与该导体接纳端相对的操作端。管形壳体还包括定位在导体接纳端和操作端中间的导电接口。操作杆朝向导体接纳端延伸通过操作端。操作杆可在使电气开关接合的第一位置和使电气开关脱离接合的第二位置之间移动。凝胶状的硅酮材料设置在一部分管形壳体内，并围绕操作杆周围设置在操作杆内，以防止来自导电接口的电压对操作端产生电弧。凝胶状的硅酮材料构造成可变形，以与处于第一位置和第二位置的操作杆保持接触。

Description

用于高压开关的柔性绝缘材料

技术领域

本发明涉及高压电气开关，诸如是高压电路断路器、开关设备和其它电气设备。具体来说，本发明涉及这样的电气开关，其触头位于诸如陶瓷瓶那样的绝缘环境的封壳内。一个触头可由位于封壳外的机械系统来致动，该系统与延伸穿过封壳密封的轴相连。

背景技术

在传统的系统中，致动机构通常在开关中形成接地连接，除非采取了预防措施，否则，电流会产生从开关组件到致动机构的电弧，造成失效或损坏。为了解决该问题，诸如架空的自动开关(overhead recloser)那样的传统高压开关，通常使用长长的玻璃纤维拉杆来将致动机构连接到开关触头。绝缘的玻璃纤维杆延伸通过充满空气的内腔。为了减小发生高压电弧(例如，3+kV)的环境，空气在触头之间需要很长的距离。因此，该结构需要很大的物理空间量。

附图说明

图1是示意的剖视图，显示根据本文所述实施例的处于关闭位置的连接器组件；

图2是示意的剖视图，显示处于打开位置的图1的连接器组件；

图3A和3B是图1的连接器组件的模制的硅酮凝胶止挡件的示意的剖视图和示意的俯视图；

图4是图1连接器组件的驱动杆的放大的示意图；

图5是组装根据本文所述实施例的高压开关的过程的流程图。

具体实施方式

以下的详细描述涉及到附图。在不同的图中，相同的附图标记会表示相同的或类似的元件。

根据本文所述的实施例，部分地填充柔性硅酮凝胶的腔室被用作为绝缘的材料，用以隔绝高压电气开关中的操作杆(也称作“拉杆”或“驱动杆”)。硅酮凝胶起作柔性的绝缘化合物作用，该化合物粘附到操作杆和腔室壁。硅酮凝胶防止电压沿着操作杆的绝缘表面沿面放电(creeping)和/或对高压电气连接器的导电部件造成闪光或电弧。

如本披露中所使用的，术语“高压”是指构造成在高于3千伏(kV)的名义系统中运作的设备。因此，术语“高压”是指适用于电力公用事业中的设备，诸如运行在高于3kV至38kV的名义电压下的系统，该系统通常称作“配电”系统，还涉及用于“输电”系统的设备，其在高于38kV的名义电压下运行。适用的设备可包括电路断路器、接地装置、开关设备，或其它的高压设备。

图1是示意的剖视图，显示根据本文所述实施例的处于接合(“合上”)位置的开关组件100。图2是示意的剖视图，显示处于脱开接合(“断开”)位置的开关组件10。联合地参照图1和2，电压开关100可包括壳体102、导体接收端104、操作端106，以及基本上从壳体102垂直地延伸的套筒接口108。开关组件100可构造成在导体接收端104和套筒接口108之间提供有选择的连接。

壳体102可限定轴向地延伸通过壳体102的细长孔110。导体接收端104可终止孔110的一端，而操作端106可终止孔110的相对端。套筒接口108可基本上从壳体102的位于导体接收端104和操作端106中间的一部分中垂直地突伸出来。如下面另外详细地要描述的，开关组件100可构造成能提供在与导体接收端104相连的触头组件112和与套筒接口108相连的触头组件114之间的机械可移动的接触。

开关组件100可包括外屏蔽116，该外屏蔽116例如由绝缘的硅酮、弹性体或橡胶形成，其在热量和压力作用下硫化，诸如乙烯-丙烯-二烯单体(EPDM)弹性体。在某些实施例中，外屏蔽116可包括多个径向延伸的翅片(未示出)，用以提高在壳体102外部上的沿面放电距离。这些翅片在地面之上或暴露于天气中的开关中是理想的，诸如架空的开关或自动开关。

在外屏蔽116内，开关组件100可包括刚性加强套筒120，其基本上延伸壳体102和孔110的全长。加强套筒120可由单件形成或由多个部分形成(如图1和2所示)。例如，在本文描述的实施例中，加强套筒120可包括中间部段121，管形延伸部分122用螺纹连接方式或其它方式附连到该中间部段上。该中间部段121可用与管形延伸部分122相同的或不同的材料制成。在一个实施例中，中间部段121可用诸如铝那样的导电或半导电材料形成。相反地，绝缘材料可用于管形延伸部分122。在可用于管形延伸部分122的众多材料中(如果是单件的话，则是整个加强套筒120)，有玻璃纤维加强的环氧树脂、聚酰胺、聚氯乙烯以及超高分子量的聚乙烯。

加强套筒120可设置有面向导体接收端104的环形台肩123。加强套筒120在导体接收端104处略微地突出超过外屏蔽116的末端，其上并包括内螺纹124。如图所示，加强套筒120包括与套筒接口108的孔对齐的开口。

开关100还包括定位在加强套筒120内的靠近套筒接口108的区域内的操作端支墩126。该操作端支墩126由金属的导电材料形成，较佳地是铜或铜合金。在一个实施例中，操作端支墩126具有用以接合加强套筒120的环形台肩123的圆柱形状。孔127延伸通过操作端支墩126，并基本上与壳体102和加强套筒120的轴线同轴。如下文中另外要详细描述的，孔127构造成可接纳连接到操作杆130的联结件128，该操作杆130延伸通过操作端106。操作端支墩126还可包括螺纹接配件(未标示)，用以接纳与触头组件114相连的对应的螺纹螺栓129。如下文中进一步讨论的，操作端支墩126作为终端(或总线)运作，以在开关接合时(如图1所示)，让电流通过开关100。螺栓129在触头组件114和操作端支墩126之间保持电气连续性。

图4提供操作杆130的放大图。操作杆130可包括后连接端131和前连接端133，该两端被轴132分开。轴132可用诸如玻璃纤维、环氧加强的玻璃纤维等的绝缘材料形成。在一个实施例中，后连接端131和前连接端133可用不同于轴132的材料，例如钢材来形成。在其它的实施例中，操作杆130可由单一部件或多个部段形成，诸如是前部杆和后部杆。如图4所示，前连接端133包括台肩134，以便过渡到比轴132直径大的直径。如文中进一步描述的，该台肩134构造成对柔性隔挡件162(这里，也称作为“凝胶止挡件162”)的插入提供止挡点。

如图1和2所示，触头组件136设置在操作端支墩126和开关100的导体接收端104之间。在某些实施例中，触头组件136可包括真空瓶组件，其包括管形的陶瓷瓶138，该陶瓷瓶具有邻近于导体接收端104的固定端封闭件140和设置在瓶138相对的操作端处的操作端封闭件142。

固定触头144可在固定端封闭件140处向后突伸到瓶138内，并可导电地与从瓶138向前延伸的触头组件112连通。在某些实施例中，触头组件112可与固定触头144一体形成。此外，尽管在图1或2中未示出，但操作端封闭件142可包括柔性的、可延伸的金属波纹管，其联接到或其它方式附连到可移动的触头146。可移动触头146可延伸出瓶138外并延伸入操作端支墩126内。真空瓶138与外界隔绝地密封，使得瓶138和触头144/146在开关100整个使用中都保持气密。

此外，瓶138内包围触头144/146的内部空间具有受控的气氛。如这里所使用的，术语“受控的气氛”意指不同于正常大气压下的空气的气氛。例如，孔138内气氛可保持在低于大气压的压力。该气氛的组成也可不同于正常空气。例如，瓶138可包括诸如SF₆(六氟化硫)的抑制电弧的气体。

如图1和2所示，真空瓶138的外直径的尺寸可做得略微小于加强套筒120的内直径，这样，在瓶外侧和加强套筒120内侧之间有环形的空间。一旦瓶138安装在加强套筒120内(例如，瓶138的后端邻接抵靠操作端支墩126的前面台肩)，就用绝缘填料148完全地填充该环形空间，以便在瓶138的外侧和加强套筒120内侧之间提供基本上无空隙的界面。

在一个实施例中，填料148可由不同于壳体102绝缘材料的绝缘材料形成。例如，绝缘填料148可由这样的材料形成，该材料可在不施加极端温度或压力的情况下安置和变为其最后的形式。示范的绝缘填料可包括油脂(例如，石油基和硅酮基的油脂)、凝胶(例如，硅酮凝胶)，以及通常被称作室温下硫化或“RTV”的弹性体类型的可固化弹性体。

固定端支墩150可设置在邻近于瓶138的固定端封闭件140的导体接收端104处。例如，固定端支墩150可啮合加强套筒120的螺纹124并还啮合固定端封闭件140。如图所示，固定端支墩150可包括中心孔，该孔用以接纳与固定端封闭件140相接触的柱头(stub)触头152。在组装过程中，固定端支墩150操作而迫使瓶138朝向操作端支墩126。因此，瓶138保持在受压缩状态下。如图1和2所示，柱头触头152可构造成将终端接纳于其上。该终端可构造成进一步联接到套筒154的触头组件或安装在导体接收端104上的其它装置。

返回到操作端支墩126，联结件128可导电地联接到可移动触头146并可滑动地定位在孔127内。联结件128还可联接到延伸通过操作端106的操作杆130，这样，操作杆130沿轴向方向在壳体102内的运动，可造成可移动触头146对应的轴向运动，移入和移出与固定触头144的接触。

在一个实施例中，联结件128可通过螺栓、螺纹连接或其它合适的附连机构联接到可移动触头146的端部。联结件128可包括构造成啮合孔127内表面的环形接触件156，由此，在操作端支墩126和联结件128之间建立起可滑动的电气接触。在一个实施例中，如图1和2所示，环形接触件156可构造为一组百叶窗型接触件。在另一实施例中，环形接触件156可被纳入在孔127的内表面上以啮合联结件128。此外，联结件128可包括用以接纳操作杆130的前连接端133的凹陷或内腔。前连接端133可通过任何合适机构固定到联结件128，合适机构诸如是匹配螺纹、一个或多个销子、铆钉、槽/卡环等。

在某些实施例中，压缩盘簧158可围绕操作杆130的前部设置，介于前连接端133和联结件128的端部之间，使得操作杆130沿关闭方向(例如，朝向导体接收端104)的运动将被传递到联结件128，并因此传递到可移动触头146。

操作杆130还可联接到接地，并还可附连或固定到合适的驱动或致动机构(未示出)。例如，操作杆130可附连到手动致动装置(例如，手柄或杠杆)、电磁致动装置、自动开关等。如此致动装置的致动可造成操作杆130在壳体102内前后地移动，由此，致使可移动触头146移入和移出与固定触头144的接触(通过联结件128)。

与文中所述的实施例相一致，开关100还包括稳固的、柔性的硅酮凝胶160，用以提供操作端支墩126/联结件128和操作端106之间的电压分离。凝胶止挡件162和操作端106之间的至少一部分孔110用硅酮凝胶160填充，该凝胶固化成固体或半固体的绝缘材料。特别地，在本文所述的实施例中，柔性硅酮凝胶160可用作绝缘的隔离材料以防止对地的电弧(例如，从导电的中间部段121、操作端支墩126或操作杆130的前部连接杆133发出)。

凝胶止挡件162可使凝胶160与操作端支墩126和/或压缩弹簧分离。在一个实施例中，凝胶止挡件162可由半导电的硅酮基材料模制而成。在另一实施例中，凝胶止挡件162可由任何合适的绝缘、弹性材料形成，诸如EPDM、硅酮、TPE(热塑性弹性体)等。图3A提供凝胶止挡件162的放大的剖视图，而图3B提供凝胶止挡件162的放大的俯视图。联合地参照图1-3B，凝胶止挡件162包括内边缘164和外边缘166。内边缘164大致可限定轴向孔168，用以接纳穿过其中的操作杆130的轴132。凝胶止挡件162还包括外台肩部分170和内台肩部分172。外台肩部分可朝向外边缘166延伸并略微在最大圆周之内，以围绕凝胶止挡件162形成唇形物174。此外，内台肩部分172可大致朝向内边缘164延伸，并在台肩134与操作杆130形成过盈配合。

在一个实施例中，内边缘164的内直径的尺寸可做得略微小于操作杆轴132的外直径，外边缘166的外直径的尺寸可做得略微大于加强套筒120的内表面167的直径。因此，凝胶止挡件162可通过与操作杆130的外表面和加强套筒120的内表面167之间的过盈/摩擦关系而固定在孔110内。例如，凝胶止挡件162可在操作杆130上被强制地插入到加强套筒120的孔110内，一直到操作杆130的台肩134。通过过盈配合将凝胶止挡件162固定在孔110内，而不是将凝胶止挡件162模制或粘结到加强套筒120和/或操作杆130上，这允许凝胶止挡件162在开关100的其它部件组装之后被插入，并还能在损坏或故障情况下允许更换凝胶160/凝胶止挡件162。因为固化的凝胶160对操作杆130和内表面167提供半永久的粘结，凝胶160/凝胶止挡件162可在不损坏操作杆130和加强套筒120的情况下移去。

当开关组件100定向成使操作端106面向上时，可将硅酮凝胶160注入孔110内和操作杆130周围。硅酮凝胶160可以是液体的两部分混合物(例如，包括基体和交联剂)，其在室温下固化，或可供选择地进行加热以减少固化时间。在一个方面，可选择凝胶160来提供高的粘度、撕裂强度、伸长度和弹性。在一示范的实施例中，凝胶160可包括SILBIONE HS firm凝胶LV10-1(由美国东布朗士维克市的Bluestar Silicones公司出品)。

在添加硅酮凝胶160之前，在操作杆130上插套凝胶止挡件162，在操作端支墩126和凝胶止挡件162之间的孔110内形成空气隙176。因此，凝胶止挡件162提供了挡止表面，以在制造过程中(例如，凝胶160固化之前)防止凝胶160渗漏到空气隙176内。空气隙176允许压缩弹簧158自由运动，并允许操作端支墩126和联结件128之间有干净的接口。

在固化的形式中，硅酮凝胶160可保持形状并对操作杆130和内表面167提供半永久的粘结。换句话说，当操作杆130从接合位置(图1)移动到脱离接合位置(图2)时，操作杆130和凝胶160的接触表面相对于彼此不移动。同样地，凝胶160和内表面167的接触表面相对于彼此不移动。相反，凝胶160可弯曲来适应操作杆130在孔110内的运动。与操作杆130和内表面167相比，凝胶160可与凝胶止挡件162形成永久的粘结。

在一个实施例中，将操作杆130从接合位置移动到脱离接合位置所施加的力足以克服凝胶160提供的阻力，以沿轴向方向使操作杆移动要求的距离。在一个实施例中，如图1所示，硅酮凝胶160可围绕操作杆130注入，填满凝胶止挡件162和操作端106边缘之间可供体积的大约30％。例如，在图1的特殊应用中，凝胶160可填充可供的5.125英尺总深度中的大约1.650英尺。

作为半导电的部件，凝胶止挡件162可利用中间部段121和操作端支墩126来形成法拉第笼或静电屏蔽，以使当空气隙176中的空气电离时可能发生的电晕放电最小化。电晕放电例如可在通过开关100的电场强度足以造成电离但不足以造成实际的电弧之时发生。

如图1和2所示，凝胶160和凝胶止挡件162可变形，以允许操作杆130在接合位置(图1)和脱离接合位置(图2)之间运动预定的距离。在一个实施例中，操作杆130的轴向移动距离可以大约为半英寸。凝胶160可在操作杆130处于如图1所示的接合位置固化。操作杆130一旦向后运动，如图2所示，操作杆130可朝向操作端106移动，而凝胶160/台肩部分170可挠曲，使得凝胶160/台肩部分170连同操作杆130一起往后拉。

图5是根据本文所述实施例组装高压开关的过程500的流程图。过程500可包括将加强套筒模制成管形壳体(方框510)。例如，可以通过将加强套筒120模制到壳体102中而将开关100组装起来。加强套筒可由导电中间部段(例如，中间部段121)、管形壳体的操作端上的第一绝缘管形延伸部(例如，管形延伸部122中的一个)，以及管形壳体的导体接纳端上的第二绝缘管形延伸部(例如，管形延伸部122中的一个)预组装而成。

过程500还可包括将操作杆、导电接口以及触头组件定位在加强套筒内(方框520)。例如，可将操作杆130、操作端支墩126和触头组件136定位在加强套筒120内。操作杆130可定位成朝向导体接纳端延伸通过操作端。操作杆可在使触头组件内的触头接合的第一位置和使触头组件内的触头脱离接合的第二位置之间移动。

过程500还可包括将柔性隔挡件插到操作杆上并插入加强套筒内(方框530)。例如，凝胶止挡件162可插套在操作杆130上并插入到加强套筒120的孔110内。凝胶止挡件162可通过摩擦/过盈配合，保持抵靠在操作杆130上和抵靠在加强套筒120的内表面上(例如，内表面167)。在添加硅酮凝胶160之前，在操作杆130上插入凝胶止挡件162，可在操作端支墩126和凝胶止挡件162之间的孔110内形成空气隙176。

过程500还可包括将绝缘的、凝胶状的硅酮材料添加到操作杆周围的加强套筒的操作端内(方框540)，并使绝缘的、凝胶状的硅酮材料固化，以粘结至操作杆和加强套筒(方框550)。例如，可将硅酮凝胶160注入操作杆130周围的加强套筒120的操作端106内。硅酮凝胶160可作为液体来注入，液体是两部分的混合物，其在孔110内固化。凝胶止挡件162可在硅酮凝胶160固化之前阻止其到达操作端支墩126。当固化时，凝胶状的硅酮材料可在操作杆130周围粘附到加强套筒120，并可永久地粘结到柔性隔挡件。此外，当固化时，凝胶状的硅酮材料构造成可变形以保持与处于第一位置和第二位置的操作杆接触，从而防止来自导电接口的电压对操作端产生电弧。因为凝胶状的硅酮材料不是永久地粘结到加强套筒和操作杆上，所以，例如在再磨光过程中，凝胶状的硅酮材料和柔性隔挡件可被移去/替换。

在本文所述的实施例中，提供了用于高压应用的电气开关。该开关包括管形壳体，壳体具有导体接纳端和与导体接纳端相对的操作端。管形壳体还可包括定位在导体接纳端和操作端中间的导电接口。操作杆可朝向导体接纳端延伸通过操作端。操作杆可在使电气开关接合的第一位置和使电气开关脱离啮合的第二位置之间移动。凝胶状的硅酮材料设置在一部分管形壳体内，并围绕操作杆设置在操作端内以防止来自导电接口的电压对操作端产生电弧。凝胶状的硅酮材料构造成可变形，以与处于第一位置和第二位置的操作杆保持接触。

以上对示范实施例的描述提供了说明会描述，但并不意图排外或将本文所述实施例限制到所披露的精确的形式。鉴于以上的介绍，各种修改和变化都是可能的，或者，从实施例实践中可获得各种修改和变化。例如，本文所述实施例还可结合其它装置使用，诸如中压或低压的设备。

尽管以上已经详细地描述了本发明，但应该清楚地理解到，本技术领域内技术人员将会明白到，在不脱离本发明精神的前提下可修改本发明。可对本发明作出形式、设计或布置上的各种变化，而不会脱离本发明的精神和范围。因此，以上提及的描述应被考虑为是示范的，而不是限制的，本发明的真正范围是由附后权利要求书所定义的范围。

本申请描述中没有元件、动作或使用的指示，应被认为对本发明是关键的或根本的，除非这样明确地描述过。还有，如文中所采用的冠词“a”是要包括一个或多个物项。此外，词语“基于”是要意指“至少部分地基于”，除非另有清楚地陈述。

Claims (12)

1.一种电气开关，其包括：

管形壳体，其具有导体接纳端和与该导体接纳端相对的操作端，

其中，管形壳体包括定位在导体接纳端和操作端中间的导电接口；

操作杆，其朝向导体接纳端延伸通过操作端，

其中，操作杆可在使电气开关接合的第一位置和使电气开关脱离接合的第二位置之间移动；以及

凝胶状的硅酮材料包含在一部分管形壳体内，并围绕操作杆周围在操作端内，以防止来自导电接口的电压对操作端产生电弧，

其中，凝胶状的硅酮材料构造成可变形，以与处于第一位置和第二位置的操作杆保持接触。

2.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，还包括：

位于凝胶状的硅酮材料和导电接口之间的柔性隔挡件，

其中，所述柔性隔挡件包括用于接纳操作杆的贯穿孔，以及

其中，所述柔性隔挡件使凝胶状的硅酮材料与导电接口分离。

3.如权利要求2所述的电气开关，其特征在于，所述管形壳体包括空气隙，该空气隙位于柔性隔挡件和导电接口之间的操作端内。

4.如权利要求3所述的电气开关，其特征在于，压缩弹簧被纳入在柔性隔挡件和导电接口之间的空气隙内。

5.如权利要求2-4中任一项所述的电气开关，其特征在于，所述柔性隔挡件包括半导电的材料。

6.如权利要求1-6中任一项所述的电气开关，其特征在于，所述管形壳体包括加强套筒，该加强套筒包括中间部段、在中间部段的第一端上的第一管形延伸部，以及在中间部段的第二端上的第二管形延伸部。

其中，所述中间部段包括导电的或半导电的材料中的一种，以及

其中，第一和第二管形延伸部包括绝缘材料。

7.如权利要求6所述的电气开关，其特征在于，所述柔性隔挡件、所述中间部段以及所述导电接口形成法拉第笼，以防止电晕放电。

8.如权利要求2-7中任一项所述的电气开关，其特征在于，所述凝胶状的硅酮材料粘结到所述柔性隔挡件，以及

其中，所述凝胶状的硅酮材料以半永久方式粘结到所述操作杆和所述管形壳体。

9.如权利要求2-8中任一项所述的电气开关，其特征在于，所述柔性隔挡件构造成在将所述凝胶状的硅酮材料提供到操作端内之前，插套在操作杆上，以及

其中，所述操作杆包括连接操作杆的第一直径和操作杆的第二直径的台肩部分，这样，所述台肩部分对柔性隔挡件的插入提供止挡。

10.如权利要求2-9中任一项所述的电气开关，其特征在于，所述柔性隔挡件包括外周和内周，所述外周摩擦地与管形壳体的内部啮合，而内周摩擦地与操作杆啮合。

11.如权利要求1-10中任一项所述的电气开关，其特征在于，所述导体接纳端还包括：

固定触头，其电气地联接到所述导体接纳端；以及

可移动触头，其电气地联接到所述导电接口和所述操作杆，

其中，所述可移动触头在操作杆处于第一位置时接合所述固定触头，以及

其中，当所述操作杆处于第二位置时，所述可移动触头与所述固定触头脱开接合。

12.一种组装高压开关的方法，该方法包括：

将加强套筒模制到管形壳体内，

其中，所述加强套筒包括导电的中间部段、在管形壳体操作端上的第一绝缘管形延伸部，以及在管形壳体的导体接纳端上的第二绝缘管形延伸部；

将操作杆、导电接口和触头组件定位在所述加强套筒内，

其中，所述操作杆定位成朝向所述导体接纳端延伸通过所述操作端，且其中，所述操作杆可在使触头组件内的触头接合的第一位置和使触头组件内的触头脱开接合的第二位置之间移动；

将柔性隔挡件插套在所述操作杆上并插入到所述加强套筒内，

其中，所述柔性隔挡件通过摩擦/过盈配合，保持抵靠在操作杆130上和抵靠在加强套筒的内表面上；以及

将绝缘的、凝胶状的硅酮材料添加到围绕操作杆的加强套筒的操作端内，

其中，使所述凝胶状的硅酮材料固化并粘结到操作杆，这样，当操作杆从第一位置移动到第二位置时，操作杆和凝胶状的硅酮材料的接触表面不相对于彼此移动，以及

其中，所述柔性隔挡件防止凝胶状的硅酮材料在固化之前到达所述导电接口。